霍尔推力器： 《流浪地球》里的发动机，中国有了新突破

《流浪地球》里推动地球“搬家”的离子推进器，中国有了新突破

近日，由中国航天科技集团有限公司（以下简称“航天科技集团”）六院801所研制的50千瓦级双环嵌套式霍尔推力器，成功实现点火和稳定运行，试验验证了推力器内、外环单环点火和双环同时点火能力。

这是国内首款50千瓦级双环嵌套式霍尔推力器，标志着我国成为世界上第三个实现嵌套式霍尔电推进技术突破的国家。自2012年成功完成国内首次霍尔电推进在轨飞行验证之后，该所累计已有60台以上霍尔推力器在轨飞行，应用于34个航天器。

50千瓦级双环嵌套式霍尔推力器

天宫空间站使用了26台以化学燃料作为推进剂的发动机，同时还第一次用了4台推力为0.32牛的霍尔推进器。

大功率电推进是国际先进空间推进领域的未来战略发展方向。大功率霍尔电推进具有推力大、比冲高、系统简单可靠等综合优势，是目前最接近太空应用的国际主流大功率电推进技术路线。

以美国、俄罗斯为首的航天大国，进入本世纪以来，一直持续研发大功率霍尔推力器，已经将霍尔推力器的功率由几千瓦提升至200kW，对它们规划的未来核电推进、大型空间任务的实现提供了很好的支撑。

工作原理与特点

霍尔电推进利用电子在正交电磁场中的霍尔效应电离工质产生高密度等离子体，通过耦合静电场加速离子喷出产生推力。霍尔推力器的结构简单、可靠性高，在航天工程应用方面均有显著优势；推力密度大，可以在较小尺寸下获得较大推力；推力、比冲覆盖范围广，多模式工作特点可以满足不同空间任务需求。

根据放电室材料及放电通道的尺寸不同，霍尔推力器分为稳态等离子体推力器（又称磁层推力器）和阳极层推力器（见图1）。稳态等离子体推力器放电室通常采用氮化硼陶瓷等绝缘材料，放电通道较长，霍尔电流区较宽；而阳极层推力器放电室通常采用石墨等导电材料，放电通道较短，霍尔电流区较窄。稳态等离子体推力器是霍尔电推进的常规技术，也是目前应用最广的技术；阳极层作为一项高比冲霍尔电推进技术，可将霍尔电推进的比冲提升10%~50%以上，最高可到8000s以上。

图1 稳态等离子体推力器（左）和阳极层推力器（右）基本结构示意图

2015年，航天科技六院801所在80mN霍尔推力器的空心阴极长寿命试验中突破18000小时，累计点火15000次，远超7500小时、累计点火8000次的典型任务指标要求。该所的成果使我国成为继俄、美、欧之后第四个掌握霍尔电推进技术的国家。

2016年，航天科技五院502所研制的磁聚焦霍尔电推进系统，在“实践十七号”卫星上完成了全部在轨飞行验证工作，这是世界上第一套完成在轨飞行验证的磁聚焦霍尔电推进系统。我国在轨验证的电推进系统为第二代磁聚焦霍尔推进技术，其推力密度高、结构简单、可靠度高。

中国第一款牛级：20千瓦霍尔推力器成功点火

2020年，中国航天科技集团六院801所成功完成了我国首款20千瓦大功率霍尔推力器点火试验，标志着中国霍尔推进器的推力进入1N级。

目前国外各大卫星公司和GEO卫星平台中，绝大多数都在使用霍尔推力器。据不完全统计，截至2021年底霍尔推力器的在轨飞行数量已经超过了3000台，占据所有电推力器飞行总数的85%以上。尤其是近年来大放异彩的低轨卫星星座市场，霍尔电推进更是独占鳌头。

美国星链卫星星座，目前已发射数量超过2000颗，每颗卫星均安装1台霍尔推力器，执行卫星的所有推进任务。

美国是发展大功率霍尔电推进技术力度最大的国家，其在空间推进发展路线图中明确提出发展50kW、100kW霍尔推力器用于低轨和“国际空间站”（ISS）轨道货物运输任务，以及火星轨道的货物运输任务。

X3是由密歇根大学主导研制的一款多通道嵌套式100千瓦级推力器，设计功率200kW，2009年进行推力器方案设计，2013年实现推力器30kW功率点火，2017年实现推力器100kW功率点火。推力器在3个通道同时工作下的功率可到102kW，最大推力可到5.42N，是目前推力最大的霍尔推力器。

美国X3霍尔推力器及工作状态

俄罗斯在上世纪就开展了大功率霍尔电推进技术的研究，主要研制单位为火炬设计局（Fakel）、克尔德什研究中心（Keldysh Research Center）、中央机械制造研究院（TsNIIMASH）等。典型的大功率霍尔推力器有SPT-290、D-160、VHITAL-160等。

随着人类对太空探索的不断深入，需要飞行更远、更久的目标任务越来越多。而传统的化学燃料推进系统因为比冲值低、需要携带大量燃料等问题，难以满足这些任务的需求。霍尔推进器的高效率、长寿命和低消耗等特点，使其成为深空探测任务中的理想选择。它可以作为载人火星探测任务的主要推进系统，为探测器提供持久而稳定的推力。

空间站需要定期调整轨道高度以维持其稳定运行。传统的推进方式可能会产生大量的废弃物和噪音，而霍尔推进器则可以在低噪音、低废弃物排放的情况下完成这一任务。此外，霍尔推进器还可以用于空间站的姿态控制和轨道机动，确保空间站的安全和稳定运行。

随着微型卫星和立方星等小型航天器的兴起，对推进系统的要求也越来越高。霍尔推进器具有体积小、重量轻、效率高等优点，非常适合用于这些小型航天器的推进系统。它可以为小型航天器提供精确的轨道机动和姿态控制，使其在太空中发挥更大的作用。

霍尔推进器在宇宙航行领域体现其高效、长寿命、低消耗、精确控制以及环保和可持续性等方面。这些优点使得霍尔推进器成为未来宇宙航行任务中理想的推进方式之一。（综合）